Παραγωγη Και Χαρακτηρισμος Ηλεκτρολυτικων Εναποθεσεων Σεληνιουχου Καδμιου Για Φωτοβολταϊκες Εφαρμογες

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο Φυσικοχημείας της Σχολής των Χημικών Μηχανικών καθώς και στο εργαστήριο Ηλεκτροτεχνικών Υλικών του τομέα Συστημάτων Μετάδοσης Πληροφορίας και Τεχνολογίας Υλικών της Σχολής των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Ο σκοπός της είναι η ηλεκτρολυτική απόθεση λεπτών υμενίων σεληνιούχου καδμίου (CdSe) σε δοκίμια τιτανίου (Ti) και ο χαρακτηρισμός τους με κύριο σκοπό τις φωτοβολταϊκές εφαρμογές.Αναλυτικότερα, για την ηλεκτρολυτική διαδικασία χρησιμοποιήθηκε λουτρό που περιείχε θειϊκό κάδμιο και οξείδια του σεληνίου με pH=2,2, ενώ η θερμοκρασία ήταν κυμαινόμενη από 80 έως και 100ο C. Τα δοκίμια παρασκευάστηκαν υπό συνθήκες συνεχούς τάσης σε διάφορες τιμές και συνολικά έγινε απόθεση σε 18 δοκίμια. Ακολούθησε χαρακτηρισμός των αποθεμάτων με χρήση περίθλασης ακτινών-Χ (XRD), οπτικού και ηλεκτρονικού μικροσκοπίου.Στο δεύτερο μέρος του πειράματος , τα δοκίμια προσαρμόστηκαν σε ορειχάλκινη βάση ώστε να έρχονται σε σημειακή επαφή με ηλεκτρόδιο χρυσού (Au) ή αλουμινίου (Al) και η διάταξη τοποθετήθηκε σε κλωβό Faraday. Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός τους πραγματοποιήθηκε με μετρήσεις έντασης-ρεύματος συναρτήσει επιβαλλόμενης τάσης (-1V ως +1V) σε διάφορα επίπεδα φωτεινότητας και εξήχθησαν οι αντίστοιχες γραφικές παραστάσεις. Με βάση τα αποτελέσματα τα δοκίμια ομαδοποιήθηκαν στις εξής κατηγορίες: ωμικές επαφές , ανορθωτικές επαφές Au-CdSe , ανορθωτικές επαφές Ti-CdSe, ενώ διαπιστώθηκαν και ανορθωτικές επαφές Al-CdSe. Συγκεκριμένα, το δοκίμιο Νο 5 παρουσίασε ανόρθωση Au-CdSe με probe χρυσού ενώ με probe αλουμινίου παρουσίασε ανορθωτική Ti-CdSe συμπεριφορά. Ακόμα διαφορετικού είδους συμπεριφορά διαπιστώθηκε και στα δοκίμια Νο 2 και Νο 12.Το θεωρητικό μέρος της εργασίας αποσκοπεί στην κατανόηση των βασικών αρχών της φυσικής των ημιαγωγών με ιδιαίτερη έμφαση στις φωτοηλεκτροχημικές τους ιδιότητες και των επαφών μετάλλου-ημιαγωγού (δίοδοι Schottky) . Αντίστοιχα, στο πειραματικό μέρος αναλύονται τα συστήματα που χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή των αποθεμάτων και τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των δοκιμίων.Από τα αποτελέσματα των μετρήσεων, παρατηρήθηκε ότι για χαμηλές τιμές ρεύματος, της τάξης των 3, 4 mΑ σε συνδυασμό με υψηλή θερμοκρασία της τάξης των 95οC έως 100oC τα δοκίμια παρουσιάζουν χαμηλής ποιότητας ανορθωτική συμπεριφορά. Χαρακτηριστικά παραδείγματα της περίπτωσης αυτής είναι το δοκίμιο Νο 15, που είχε τιμή ρεύματος της τάξης των 3mA και η πολύ υψηλή θερμοκρασία με αποτέλεσμα τη δημιουργία μέτριας ανορθωτικής επαφής, και το δοκίμιο Νο 18 στο οποίο οι τιμές ρεύματος κυμαίνονταν μεταξύ 2,5 mA και 3 mA, ενώ η θερμοκρασία μεταξύ 97οC και 100οC. Και στις δύο περιπτώσεις δεν παρατηρήθηκε αισθητή αλλαγή της συμπεριφοράς με αλλαγή του probe.Ακόμα παρατηρήθηκε ότι για υψηλές τιμές ρεύματος, της τάξεως των 9 mA, 10mA σε συνδυασμό με υψηλή θερμοκρασία της τάξης των 95οC και 100οC, τα δοκίμια παρουσιάζουν πολύ καλή ανορθωτική συμπεριφορά. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αυτής της κατηγορίας είναι το δοκίμιο Νο 10, στο οποίο η ένταση του ρεύματος πήρε τιμές μεταξύ 8 mA και 9mA, ενώ η θερμοκρασία κυμάνθηκε μεταξύ 95οC και 98οC. Ακόμα αρκετά καλή ανορθωτική συμπεριφορά διαπιστώθηκε και στα δοκίμια στα οποία η ένταση του ρεύματος κυμαινόταν από 5mA έως 7mA, ενώ η θερμοκρασία κυμαινόταν σε σχετικά χαμηλές τιμές, της τάξης των 80οC έως και 88οC. Όπως για παράδειγμα το δοκίμιο Νο 7, στο οποίο το ρεύμα κυμαινόταν μεταξύ 4mA και 6mA, ενώ η θερμοκρασία από 81οC έως 90oC. Τέλος, στα δοκίμια στα οποία η τιμή του ρεύματος ήταν αρκετά χαμηλή, της τάξης των 2mA και η θερμοκρασία κυμαινόταν μεταξύ των 86οC και 88οC παρατηρήθηκε ωμική συμπεριφορά.This diploma thesis was carried out in the laboratory of Physical Chemistry in the Department of Chemical Engineering and in the laboratory of Electrical Materials in the faculty of Electrical and Computer Engineering of the National Technical University of Athens. The purpose of the thesis was to characterise and construct electrodeposited cadmium selenide on titanium substrates, so as to ascertain their electrical behaviour.The electrolytic liquid contained cadmium sulfate, oxides of selenium and its pH was regulated at pH=2.2, whereas the temperature was controlled, reaching a maximum value of 100ο C. The semiconductor films were produced on 18 samples under dc voltage. The plating on the substrates was characterized by XRD, optically and by SEM microscopy.At the second part of the measurements, the samples were connected to a bronze base in order to achieve a point contact with gold or aluminium probe and the device was placed into a Faraday cage. The electrical characterization was based upon I-V measurements. In that way, the samples were classified in the following categories: ohmic contacts, Au-CdSe rectifiers, Ti-CdSe rectifiers although there were also Al-CdSe rectifiers. The theory of the thesis describes the main principles of the physics of semiconductors and metal-semiconductor contacts. The practical part analyzes the way that electrodeposition and the electrical measurements were carried out, with an emphasis on the instruments and the procedure.